Progetto concettuale di un sedile in materiali compositi per veicoli solari

Il seguente elaborato è la conclusione dell'esperienza di tesi volta alla progettazione di componenti, nello specifico sedili e punti di ancoraggio per le cinture di sicurezza, per il cruiser Emilia 4, veicolo solare che gareggerà con le più importanti università mondiali nella 2017 World Solar Challenge in Australia. L'attività compiuta risulta essere il punto di arrivo dell'ottimizzazione strutturale degli elementi, attribuendo fondamentale importanza al peso delle strutture; l'obiettivo è stato raggiunto mediante l'adozione della fibra di carbonio, nel rispetto del regolamento della corsa e delle norme stradali australiane. Gran parte delle attività sono state svolte a Castel San Pietro nell'azienda Metal Tig, impresa specializzata nella lavorazione dei laminati in composito; qui si sono tenute riunioni settimanali per discutere dei progressi del progetto e delle modifiche da apportare. Il lavoro di tesi si conclude con la quarta revisione dei componenti affidatomi: essa probabilmente non sarà la versione definitiva, ma sicuramente sarà un punto di riferimento per i prossimi progettisti impegnati nell'impresa.

Sviluppo di un sistema integrato per rampe isocrone di temperatura

Lo scopo del presente lavoro è la realizzazione e l'ottimizzazione di un software che, tramite l'utilizzo di un controllo automatico Proporzionale-Integrativo-Derivativo: PID, gestisca la temperatura di un fornetto in camera a vuoto. È necessario che il sistema sia in grado di eseguire rampe regolari di temperatura di diversa pendenza scelta dall'utente, in modo che possa essere utilizzato in futuro per esperimenti di Desorbimento Termico da parte di vari materiali. La tesi è così suddivisa, nel primo capitolo sono illustrati i concetti teorici di base utilizzati nello sviluppo dei controlli automatici. Nel secondo capitolo è descritta la parte hardware: sono mostrate le diverse sezioni che compongono il fornetto e la camera a vuoto, è inoltre illustrato il cablaggio che permette l'interfaccia del forno alla scheda Arduino ed al software LabVIEW. La terza sezione è dedicata agli studi svolti per la realizzazione del sistema di controllo PID e per la sua ottimizzazione. Il quarto capitolo è invece dedicato alla descrizione del software creato per la gestione del fornetto. Nel quinto capitolo sono infine mostrati i metodi utilizzati per il calcolo delle costanti operative del PID ed i risultati sperimentali ottenuti.

Analisi multi-obiettivo in ottica lean-green della reverse logistics dei veicoli a fine vita (ELV)

La gestione del fine vita dei prodotti è un argomento di interesse attuale per le aziende; sempre più spesso l’imprese non possono più esimersi dall’implementare un efficiente sistema di Reverse Logistics. Per rispondere efficacemente a queste nuove esigenze diventa fondamentale ampliare i tradizionali sistemi logistici verso tutte quelle attività svolte all’interno della Reverse Logitics. Una gestione efficace ed efficiente dell’intera supply chain è un aspetto di primaria importanza per un’azienda ed incide notevolmente sulla sua competitività; proprio per perseguire questo obiettivo, sempre più aziende promuovono politiche di gestione delle supply chain sia Lean che Green. L’obiettivo di questo lavoro, nato dalle esigenze descritte sopra, è quello di applicare un modello innovativo che consideri sia politiche di gestione Lean, che dualmente politiche Green, alla gestione di una supply chain del settore automotive, comprendente anche le attività di gestione dei veicoli fuori uso (ELV). Si è analizzato per prima cosa i principi base e gli strumenti utilizzati per l’applicazione della Lean Production e del Green supply chain management e in seguito si è analizzato le caratteristiche distintive della Reverse Logistics e in particolare delle reti che trattano i veicoli a fine vita. L’obiettivo finale dello studio è quello di elaborare e implementare, tramite l’utilizzo del software AMPL, un modello di ottimizzazione multi-obiettivo (MOP- Multi Objective Optimization) Lean e Green a una Reverse Supply Chain dei veicoli a fine vita. I risultati ottenuti evidenziano che è possibile raggiungere un ottimo compromesso tra le due logiche. E' stata effettuata anche una valutazione economica dei risultati ottenuti, che ha evidenziato come il trade-off scelto rappresenti anche uno degli scenari con minor costi.

Creazione e validazione del modello fluidodinamico di un ventilatore centrifugo e possibili ottimizzazioni.

La seguente tesi nasce dall’esigenza di ottimizzare, da un punto di vista acustico e prestazionale, un ventilatore centrifugo preesistente in azienda. Nei primi tre capitoli si è analizzato il problema da un punto di vista teorico, mentre nel terzo e quarto capitolo da un punto di vista computazionale sfruttando tecniche CFD. Nel primo capitolo è stata fatta una trattazione generale dei ventilatori centrifughi, concentrandosi sul tipo di problematiche a cui questi vanno incontro. Nel secondo capitolo è stata presentata la teoria che sta alla base di una rilevazione sperimentale e di un’analisi acustica. Unitamente a ciò sono stati riportati alcuni articoli che mostrano tecniche di ottimizzazione acustica in ventilatori centrifughi. Nel terzo capitolo è stata riassunta la teoria alla base della fluidodinamica e di uno studio fluidodinamico. Nel quarto capitolo viene spiegato come è stato creato il modello fluidodinamico. Si è optato per un’analisi del problema in stato stazionario, sfruttando il Moving Reference Frame, e considerando l’aria come incomprimibile, visto il ridotto numero di Mach. L’analisi acustica è stata effettuata nel post-processing sfruttando il modello di Proudman. Infine è stata dimostrata la correlazione che intercorre tra i tre punti della curva resistente del ventilatore di funzionamento reale, permettendo di estendere i risultati ricavati dalla analisi di uno di questi agli altri due. Nel quinto capitolo è stata effettuata un’analisi dei risultati ottenuti dalle simulazioni fluidodinamiche e sono state proposte diverse modifiche della geometria. La modifica scelta ha visto un miglioramento delle prestazioni e una minore rumorosità. Infine sono state proposte nelle conclusioni ulteriori possibili strade da percorre per un’indagine e ottimizzazione del ventilatore più accurata.

Analisi degli effetti dell’iniezione d’acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna è principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite è necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perché l'elevato calore latente di vaporizzazione può fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si è articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensità di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Effective procedure for the optimization of the linear controller in an industrial drive for a nonlinear mechanism

Il progetto di tesi è incentrato sull’ottimizzazione del procedimento di taratura dei regolatori lineari degli anelli di controllo di posizione e velocità presenti negli azionamenti usati industrialmente su macchine automatiche, specialmente quando il carico è ad inerzia variabile in dipendenza dalla posizione, dunque non lineare, come ad esempio un quadrilatero articolato. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l’azienda G.D S.p.A. ed il meccanismo di prova è realmente utilizzato nelle macchine automatiche per il packaging di sigarette. L’ottimizzazione si basa sulla simulazione in ambiente Matlab/Simulink dell’intero sistema di controllo, cioè comprensivo del modello Simulink degli anelli di controllo del drive, inclusa la dinamica elettrica del motore, e del modello Simscape del meccanismo, perciò una prima necessaria fase del lavoro è stata la validazione di tali modelli affinché fossero sufficientemente fedeli al comportamento reale. Il secondo passo è stato fornire una prima taratura di tentativo che fungesse da punto di partenza per l’algoritmo di ottimizzazione, abbiamo fatto ciò linearizzando il modello meccanico con l’inerzia minima e utilizzando il metodo delle formule di inversione per determinare i parametri di controllo. Già questa taratura, seppur conservativa, ha portato ad un miglioramento delle performance del sistema rispetto alla taratura empirica comunemente fatta in ambito industriale. Infine, abbiamo lanciato l’algoritmo di ottimizzazione definendo opportunamente la funzione di costo, ed il risultato è stato decisamente positivo, portando ad un miglioramento medio del massimo errore di inseguimento di circa il 25%, ma anche oltre il 30% in alcuni casi.

Fibre naturali nel settore dei compositi: confronto fibre di lino vs. fibre di carbonio

I materiali compositi possiedono proprietà funzionali e di resistenza sempre più performanti grazie alla natura dei rinforzanti in fibra di carbonio, i quali però sono caratterizzati da criticità relative al processo di trasformazione altamente energivoro e dispendioso, all’inquinamento collegato alla produzione delle fibre e al trattamento di sizing, nonché alla difficoltà nello stadio di separazione dei costituenti del manufatto composito e del conseguente riciclo. A causa di queste problematiche sono stati introdotti in produzione materiali a matrice epossidica rinforzata con fibre di lino. Lo studio è stato indirizzato verso la caratterizzazione delle materie prime che compongono i manufatti, quindi fibre e semilavorati, mediante analisi termiche dinamiche in DSC e TGA con il fine di determinare la composizione e resistenza dei singoli componenti e la misura della variazione nel comportamento quando sono uniti per comporre i prepreg. Sono state eseguite delle prove di igroscopicità, umidità e densità per ottenere una panoramica precisa sulle differenze nella struttura delle fibre in carbonio e lino che le differenzia in modo apprezzabile. Sono stati laminati compositi reticolati secondo tecnologia in autoclave, le cui proprietà sono state definite mediante prove termiche dinamiche in DSC, TGA, DMA, prove alla fiamma mediante conocalorimetro, prove fisiche di igroscopicità, umidità e densità, prove ottiche al SEM in seguito ad una rottura in trazione. Parte del progetto seguito è stato direzionato all’ottimizzazione del ciclo produttivo in autoclave. La simulazione del nuovo ciclo di cura industriale, RAPID, è stata eseguita per valutare la variazione della Tg finale e il grado di curing, nonché le proprietà termiche e meccaniche già valutate nel ciclo di cura, STANDARD.

Sintesi per microemulsione di materiali fotocatalitici ed elettrocatalitici basati su nanoparticelle di ossido di titanio

Il catalizzatore studiato per questa reazione è principalmente l’ossido di titanio (TiO2) per la sua disponibilità. Le modifiche principali riguardano l’inserimento nella struttura della TiO2 di altri elementi, principalmente N, e la deposizione di particelle di metalli nobili come co-catalizzatori. In questo elaborato vengono studiate una serie di sintesi per via microemulsione (ME). L’introduzione di una base (NaOH o NH4OH) è stata utilizzata per produrre delle modifiche nella morfologia dei catalizzatori. Alcuni parametri operativi delle sintesi, quali: tempo di agitazione del precursore, agente neutralizzante e trattamenti a riflusso sono stati studiati. Ottimizzando le sintesi in ME è stato possibile ottenere polveri di TiO2 con densità inferiore al campione di riferimento prodotto per ME, con valori inferiori a 1 g/mL. Le dimensioni delle particelle sono state osservate e risultano anch’esse inferiori, solitamente sotto 10 nm. L’area superficiale delle polveri è di solito superiore a 100 m2/g. Ulteriori modifiche introdotte riguardano la presenza di N nella struttura della TiO2, che ha permesso un miglioramento nell’assorbimento di luce nello spettro visibile. Inoltre, sfruttando la versatilità delle ME è stato possibile mettere a punto delle sintesi che permettono la precipitazione di specie di Ag sotto forma di nanoparticelle, della dimensione di 1 nm. I catalizzatori sono poi stati testati in fotocatalisi eterogenea, usando condizioni pressione atmosferica, temperatura di 30°C e utilizzando come solvente acqua. L’attività catalitica dei campioni è risultata promettente e si pensa che ulteriori studi di ottimizzazione dei parametri delle sintesi possano portare a successivi miglioramenti. I catalizzatori prodotti per neutralizzazione hanno mostrato una maggiore reattività e tra questi, quello trattato con NaOH, per effetto sinergico della densità e delle dimensioni dei cristalliti, ha esibito un’attività superiore agli altri.

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

"Razionalizzazione mediante VSM e tecniche Kaizen del flusso del valore nel processo produttivo di getti in ghisa: il caso Fonderie di Montorso S.p.a.”

La stesura del seguente elaborato di tesi è avvenuta simultaneamente all’inizio di un progetto Lean presso il plant produttivo, situato a Crevalcore (Bo), di Fonderie di Montorso Spa, azienda produttrice di getti in ghisa. Lo scopo del seguente elaborato è di descrivere l’implementazione di un progetto Lean in uno dei settori più antichi esistenti. Negli ultimi decenni, si è sentito molto parlare di Lean production in settori come quello dell’automotive ma, raramente, si sente parlare di lean thinking o kaizen in settori metalmeccanici. I processi produttivi tipici di una fonderia, infatti, sono difficilmente prevedibili e controllabili come può essere un processo di assemblaggio di componenti. Trasferire, dunque, un sistema di gestione della produzione, il Toyota Production System, nato in una linea di assemblaggio, in un settore con una grande quantità di vincoli di progettazione e produzione, è una sfida, una sfida necessaria per rispondere ad una situazione di estrema variabilità della domanda, in cui il mercato richiede i prodotti in maniera rapida e puntuale. Per rimanere, dunque, competitivi è necessario un cambiamento radicale, una rivisitazione di tutti i processi aziendali partendo dall’arrivo dell’ordine, alla spedizione dello stesso. Alla luce di ciò, nel corso della trattazione, sono state svolte analisi al fine di ridurre il Lead time di partenza da 18 a 4 settimane, ponendo molta attenzione al coinvolgimento delle persone, il vero motore del cambiamento. Le parole cardine di questo elaborato sono: standardizzazione dei processi, eliminazione dei colli di bottiglia, aumento della comunicazione tra le funzioni aziendali, prioritizzazione dei clienti e per ultimo, ma non per importanza, la valorizzazione del gemba.

Rinforzi grafenici in nanofibre per la modifica di materiali compositi

I CFRP laminati offrono vari vantaggi rispetto ai materiali metallici: su tutti un peso ridotto e migliori proprietà meccaniche. Tuttavia, hanno un basso damping (smorzamento delle vibrazioni) e una bassa resistenza alla delaminazione, che possono portare a forti limitazioni durante la vita d’uso del materiale. Lo scopo del seguente elaborato riguarda la produzione di vari tessuti nanofibrosi in polimeri termoplastici, tra cui Nylon 66, eventualmente additivati con grafene, da includere in laminati compositi al fine di migliorare i problemi sopracitati. I tessuti nanofibrosi sono stati ottenuti mediante la tecnica dell'elettrofilatura, dopo ottimizzazione delle soluzioni e del processo stesso. Prima di essere integrate, le membrane sono state caratterizzate morfologicamente tramite analisi SEM e termicamente mediante analisi DSC. I laminati nano-modificati, prodotti tramite laminazione manuale, sono quindi stati caratterizzati meccanicamente. In particolare, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e II tramite test DCB e ENF. Inoltre, sono stati eseguiti anche test Three-Point Bending al fine di avere un quadro più completo sulle proprietà meccaniche dei compositi nano-modificati.

Progettazione di sistema di distribuzione a cascata di ingranaggi a bassa emissione sonora per motore ad alte prestazioni

Il progetto è stato svolto in collaborazione con HPE COXA, azienda modenese dedicata alla progettazione e simulazione di elementi meccanici per il settore automotive. La finalità del progetto di tesi presentato è quella di progettare un sistema di distribuzione motore a cascata di ingranaggi dedicato ed adattato ad un motore termico V8, 4000cc già esistente, così da sostituire l’attuale sistema di distribuzione a catena e rocchetti. La peculiarità del meccanismo da progettare è la bassa emissione sonora, la quale deve essere ottenuta mediante modifiche al profilo della dentatura e ad un corretto dimensionamento del sistema. Per riuscire a soddisfare la richiesta, si utilizzano software di progettazione e simulazione (KissSoft e KissSys) che consentono di studiare la fase di ingranamento delle ruote permettendo di comprenderne il comportamento. Lo studio approfondisce poi tematiche riguardanti la natura delle modifiche effettuate, la resistenza strutturale, la distribuzione delle forze e delle tensioni e la progettazione di un sistema di ancoraggio e lubrificazione che permetta il corretto funzionamento. Il lavoro sarà completato poi con due appendici, le quali approfondiscono ancora più nel dettaglio alcune delle caratteristiche delle modifiche del profilo di dentature elicoidali, le quali non sono state prese in considerazione per il progetto della distribuzione.

Numerical modelling of axially loaded piled foundations with physical tests validation

L'oggetto della tesi è la modellazione numerica di pali di fondazione per turbine eoliche in ambiente offshore. Il metodo di modellazione comprende l'interpretazione di prove CPT per l'estrapolazione dei parametri geotecnici del terreno, la creazione di un modello dell'interazione tra struttura e terreno tramite il software agli elementi finiti Abaqus, la sua verifica, l'ottimizzazione dell'estensione del modello del terreno e della mesh e la simulazione numerica del comportamento di pali caricati assialmente in compressione. Grazie al confronto con i risultati di test su modelli fisici, eseguiti nel laboratorio dell'istituto Fraunhofer IWES di Hannover, di tre pali aventi la stessa geometria ma installati in punti con diverse condizioni di compattazione della sabbia, è stata possibile la messa a punto di una strategia di simulazione più accurata possibile e la sua validazione. A conclusione del lavoro è stato eseguito un esempio di design di una fondazione jacket per una turbina eolica offshore.

Analisi delle prestazioni di un sistema di accumulo termico

Analisi termofluidodinamica di un accumulatore di calore che utilizza materiali a cambiamento di fase (PCM). I campi di velocità, di temperatura e di titolo, in regime termico non stazionario, relativi al singolo canale, vengono calcolati con un programma basato sul metodo dei volumi finiti, scritto in ambiente di lavoro Matlab. Vengono proposte diverse ottimizzazioni delle performance di accumulo termico, basate su un algoritmo genetico. Le ottimizzazioni sono fatte sia con differenti tipi di parametri di valutazione, sia con differenti gradi del polinomio che descrive la parete del canale; per ogni ottimizzazione l’algoritmo genetico è stato, quindi, utilizzato per determinare i parametri geometrici del canale ottimali. A partire dai risultati ottenuti dalle ottimizzazioni, vengono poi analizzate le prestazioni di canali della stessa geometria, ai quali viene aggiunta un’intelaiatura metallica. Vengono, infine, mostrati i risultati delle simulazioni numeriche fatte.

Misura della non-linearità nella risposta dello scintillatore GAGG:Ce per la missione HERMES

HERMES (High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites) è una missione basata su una costellazione di nano-satelliti in orbita terrestre bassa, ospitanti rivelatori di raggi X e gamma, avente l'obiettivo di indagare l'emissione di Gamma Ray Burst (GRB). Si tratta di un insieme di spettrografi ad alta risoluzione temporale, attivi nella banda 3–2000 keV, che operando congiuntamente sono in grado di localizzare eventi transienti. Questo esperimento fornirà un metodo veloce e complementare alla rivelazione di onde gravitazionali per l'osservazione di eventi brillanti come i GRB nell'ambito dell'astrofisica multimessaggero. Il rivelatore di ogni nano-satellite di HERMES è composto da Silicon Drift Deterctors (SDD) collegati otticamente a cristalli scintillatori di tipo GAGG:Ce. Il GAGG:Ce è uno scintillatore inorganico di nuova generazione (sviluppato attorno al 2012). L'obiettivo di questa tesi è studiare la risposta, in termini di ampiezza assoluta e uscita luce, del GAGG:Ce accoppiato a una SDD, concentrandosi nello studio della risposta non lineare dello scintillatore, dovuta al K-edge del gadolinio all'energia di 50.23 keV, per contribuire all'ottimizzazione della calibrazione strumentale per il satellite HERMES. Per l'esperimento sono stati usati tre diversi campioni di scintillatore GAGG:Ce. L'esperimento si è basato sull'osservazione di sorgenti radioattive di calibrazione e di un fascio monocromatico di fotoni X, prodotto attraverso il generatore disponibile presso la facility LARIX-A dell'Università di Ferrara, con un rivelatore composto dallo scintillatore in analisi letto con una SDD. L'intervallo di energie scelto per il fascio monocromatico è di 20-160 keV, mentre i radioisotopi consentono di acquisire dati anche ad energie maggiori. La risposta dello scintillatore è stata quindi studiata dalla minima energia rivelabile (20-40 keV) all'energia della riga del 137Cs a 661.65 keV.